天然气液化工厂工艺设计有关问题1

天然气液化工厂工艺设计有关问题探讨

王遇冬2012.04.17.

一、原料气压力和杂质允许含量

原料气中一般都不同程度地含有H2S、CO2、有机硫、重烃、水蒸气和汞等

有害杂质和液化过程中可能形成固体的物质，即就是经过处理后符合《天然气》

（GB 17820）的质量要求，但在液化之前也必须进行预处理。

表1为生产LNG时原料气中允许的最大杂质含量，表2为原料气杂质在LNG

中含量。

①

①H2O、CO2、COS、芳烃类含量为体积分数。

表2 原料气杂质在LNG中的含量

注Array注：表中未标单位的为体积。

①按在储罐中纯LNG的含量为基准，再校正原料

气杂质含量。考虑数据误差则乘以1.2的系数。

②如果含量达到表中数值，这样高的摩尔分数会改

变溶剂（LNG）的性质，故应重新计算其他组分的

含量这样做并非十分合理，因为表中列出的全部含量是

将纯净LNG当作溶剂来计算的。

③根据经验，水的体积分数达到0.5×10-6 时，不会出

现水的冷凝析出问题。

④由于汞对铝有害，原料气中不允许有任何汞的存在。

1.原料气中汞含量的测定

⑴据了解，国内外大多数油气田天然气中都含汞，其量为0.1～7000μg/m３。例如，我国海南福山油田原料气经NGL回收后的商品气中汞含量在100μg/m３左右。塔里木气区雅克拉集气处理站NGL回收装置原料气汞含量为73.76μg/m３。长庆气区天然气中汞含量较少，但一般也大于0.01μg/m3。例如，靖边气田进入陕京输气管道的商品天然气中汞含量小于0.03μg/m３。

此外，原料气中的汞含量也会有一定波动，尽管其变化一般不是很大。

⑵据了解，目前一些天然气中汞含量是由中科院地质与地球物理研究所兰州油气资源研究中心测定。例如，苏里格气田东区天然气综合利用项目的原料气即如此。由其提交的兰地化测字D03 第032号《检测报告》可知，原料气中汞含量测定采用GB/T 16781.2—1997《天然气中汞含量的测定冷原子荧光分光光度法》。

但是，该标准目前已被GB/T1671.2—2010《天然气汞含量测定第2部分：金-铂合金汞齐化取样法》所取代。此新标准在前言中明确指出，“本部分代替GB/T16781.2—1997《天然气中汞含量的测定冷原子荧光分光光度法》。本部分与GB/T16781.2—1997在技术内容，即测量范围、试验原理、仪器、试剂、、汞的测定等内容完全不同，作了较大修改”。此外，在引言中又指出，“天然气含有的烃类，尤其是低浓度芳香烃的存在会干扰原子吸收光谱（AAS）或原子荧光光谱(AFS)对汞的测定，故此时天然气中的汞不能直接测定。因此，在分析前，应该对汞进行收集使其与芳香烃分离”。因此，由旧标准测定的汞含量由此可知，(2011)兰地化测字D03 第032号《检测报告》中的汞含量显然偏低。为此，建议今后有关天然气汞含量的测定请该标准的起草单位即中国石油西南油气田分公司天然气研究院测定。

2.原料气中的重烃（含芳烃）

⑴原料气中一些重烃的熔点

原料气中的重烃一般指C5+烃类。其中一些重烃(尤其是苯等环状化合物)因其熔点较高，在低温下会形成固体堵塞设备各管线，故必须在原料气液化之前将其和其他重烃一起脱除。

天然气中的芳烃主要是苯、甲苯、二甲苯和乙苯（BTEX）。由于苯的熔点高达（5.5℃），故在表1中对芳烃的含量限制另有要求。

一些重烃的熔点见表2。

根据原料气处理量、重烃（尤其是苯）组分含量不同，脱苯和脱重烃可以采用重烃洗涤法、低温分离法或分子筛（5A）吸附法。

实际上，在采用分子筛脱水的同时也可脱除部分重烃，其脱除程度主要取决于吸附剂的性能和再生形式。

⑵原料气中重烃出现固相时的温度

表2中列举的是一些重烃单独存在时的熔点。如果是在天然气或NGL等混

合物中存在时，则其在出现固相的温度要比表2中列举的温度低。此时，应根据热力学模型法进行计算。其计算原理如下：

在相当大范围内具有熔点较高重烃的混合物在低温下平衡时能以气-液-固三相存在，例如低温下天然气中固相可以是CO 2、苯和重烃等。在这种情况下通常可认为固相是纯的，即假定溶剂在固相中的溶解度等于零，从而简化计算。此外，流体逸度可由SRK 、PR 等状态方程来确定。

多组分体系处于平衡时，各组分在气、液、固相中的逸度相等。组分i 在固相中的逸度s i f 等于纯固体i 的逸度，并可由下式得到，即

s sat sat ()i i i i f p PF φ= （1）

s a t s d ()e x p i p

i i p V P PF RT =⎰ （2） 式中 s a t i φ——组分i 固体在饱和压力sat i p 下 的逸度系数；

sat i p ——组分i 固体的饱和蒸气压力；

()PF ——组分i 固体的Poynting 因子，系考虑到总压p 不同于sat i p 时所加的校正；

s i V ——组分i 固体的摩尔体积。

它们都是在温度T 时的值。

组分i 在气相、液相中的逸度v i f 、l i f 可直接从同时适用于气、液相的状态方程求解。因此，已知多组分气体混合物的压力（或温度）和组成时，由式（1）求得s i f 和由状态方程求得v i f 并且二者相等时的温度（或压力），即为组分i 固体开始从组成已知的流体中析出的温度（或压力）。此外，当体系温度、压力和组成已知时，也可由式（1）求解组分i 固体的析出量和流体相的组成。

如果多组分体系为液相，也可采用类似的方法来求解。

⑶分离重烃的温度

利用热力学模型法求得原料气中某个重烃出现固相的最高温度后，即可确定原料气预冷和液化过程中采用低温分离法分离重烃的最低温度。

3.原料气压力

原料气压力越高，其预冷和液化所需冷量越少（见图1），提供冷量的冷剂压缩功耗相应也越少。因此，原料气进LNG 工厂的压力较低时通常需先增压。由于冷剂压缩所需功耗远大于原料气增压所需功耗，故可使原料气预冷和液化所需功耗显著降低，从而使总功耗减少。这样，此外，较高的压力也可使预处理和液化部分有关工艺设备尺寸减小。

但是，原料气增压后的压力过高，不仅使其压缩功耗增加过多，而且还要注意在预冷和液化过程中的压力、温度应远离（通常是压力宜低于）临界点值，以免气、液相密度相近，导致脱除重烃时气液分离困难，或者在压力、温度略